复合材料交流击穿强度、击穿电压测试及介电强度计算公式（各种材料的击穿电压）

复合材料交流

击穿强度

：

复合材料交流击穿强度、击穿电压测试及介电强度计算公式（各种材料的击穿电压）

从实际应用的角度上考虑，电介质的

击穿强度

是一个非常重要的参数，特别是在高频高压场合下，绝缘材料必须具有一定的

介电强度

。

绝缘材料的

击穿强度

遵循

分布。

介电强度

的

分布可写为

：

式中

是电失效的累积概率，

E

是每次实验时的测试

击穿强度

，

β

是形状因子，表示

击穿强度

的分散情况，

是尺度参数，表示失效概率为

63

，

2%时的

击穿强度

，这个参数通常被用来比较不同样品的

介电强度

。

P根据下述公式进行计算

：

E值以升序排列，

i

代表

E

值的位次，

n

表示每个样品总的测试数目。

图

1

给出了纳米复合材料的

介电强度

的

分布。根据图

2

，

14可以看出，复合材料的

介电强度

与纳米颗粒的浓度有很大的关系。根据图

，

14，在低颗粒浓度的情况下，纳米复合材料的

介电强度

有很大的降低。当颗粒的浓度超过

％并逐渐增加到

32

％，复合材料的

介电强度

不再发生很大的变化，只是随着纳米颗粒的增加而慢慢降低，这说明聚乙烯纳米铝复合材料在较高的金属含量时仍具有较高的

介电强度

，因此从应用的角度上具有潜在的价值。低浓度下的

介电强度

快速降低以及高浓度下

介电强度

的变化较小，说明在这些纳米复合材料中可能存在两种不同的击穿机理。

图

1

当颗粒含量较低时，颗粒之间没有形成团簇，而是孤立的存在于聚合物基体中，这样，每个粒子周围的电场会发生很强的放大，纳米颗粒与聚合物基体之间可能会发生局部的击穿。在这种情况下，由于纳米颗粒的尺寸很小，尽管施加在样品上的电场强度不是很高，但纳米铝颗粒周围局部电场的增强足以超过聚乙烯的本征

击穿强度

，从而造成纳米铝颗粒的浓度越低，复合材料的

介电强度

降低越快。根据我们的观察，纳米铝含量为

％时，复合材料的失效概率为

63

，

2％的

击穿强度

由纯聚乙烯的

，

1kV/mm降低到

103

，

4kV/mm。

聚合物纳米复合材料的

介电强度

的降低速率与纳米颗粒本身的性质及尺寸有关，金属颗粒的影响要远远大于电介质颗粒的影响。

随着纳米颗粒的含量进一步增加，颗粒的团聚趋势越来越明显，团簇的尺寸也越来越大，这样会造成电场的增强速率逐渐减弱，因而材料的

介电强度

降低的速率也越来越弱。当聚合物中的颗粒含量超过一定值后，颗粒团簇的尺寸变的很大以至于彼此互相靠近，样品上下表面就会形成桥联结构。根据上面的讨论，纳米铝氧化壳层的电阻率要低于聚乙烯的电阻率，桥联结构会造成放电。一旦上下表面中间有一条桥联结构发生放电，施加到复合材料其它地方的电应力就会降低。这是复合材料在较高纳米颗粒含量下仍具有较高的

介电强度

的原因之一。

假设不同纳米团簇的体积比较接近且电极形状是相同的，那么当纳米颗粒的含量超过

％时，流经各个桥联通路的

“

短路电流

”

就没有什么不同。尽管两电极之间有放电现象发生，由于纳米铝颗粒本身的自钝化性质，复合材料在高的颗粒含量时仍保持的较好的绝缘性能。以上是复合材料在较高纳米颗粒含量下仍具有较高的

介电强度

的另一个原因，也是复合材料在较高纳米颗粒含量下具有相似

击穿强度

的原因。

根据

介电强度

的观点，

％也可以看作是逾渗阈值。这是因为，从材料的

介电强度

的角度上讲，复合材料的微观结构在这个浓度发生了一个转变。可以看出，这个值明显低于直流电导测量所反映出的逾渗阈值（

，

3％），这是测试电场强度的不同造成的。在

介电强度

的测试中，样品所加的电场强度要高出测量直流电导时所施加场强

个数量级。